[发明专利]多磁极各向异性永磁磁环的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备多磁极各向异性永磁磁环(钕铁硼、铁氧体、钐钴和铝镍钴)的工艺及其相关设备，尤其是应用于伺服电机和无刷电机中无齿槽效应的多磁极各向异性烧结钕铁硼永磁环形磁体的制备方法。

背景技术

目前的发电机和永磁电机都采用齿槽结构，齿用来引导磁力线，降低磁阻，槽用来镶嵌绕组，并与齿中的磁力线交链。齿与槽使用了不同导磁率材料，正是由于磁导差异，从而使转子在不同位置磁通密度不同。永磁式发电机和永磁电机的“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”主要来源于：1)定子铁心在装配过程中发生形变，使定子内圆呈椭圆状，气隙磁导发生明显变化；2)永磁体与其嵌放槽之间的装配余量稍大，使永磁体在槽内沿圆周切向产生了偏移，永磁体磁动势沿圆周分布不均。

虽然在现有发电机和永磁电机设计制造中可以采取适当措施减小“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”，但按照现有的设计结构要完全消除“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”是不可能的。“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”增加了电机的起动阻力，还使得电机运行不稳定，会降低电机的效率。特别是在低风速风力发电领域中，“齿槽效应”和“齿槽阻力矩”会极大地增加低风速发电的起动难度，提高微风发电的阈值，降低发电效率，从而减少发电机从风中所获得的能量。

齿槽转矩产生的根源是齿槽造成的磁导差异。目前已有的国内外专利之中解决齿槽效应的方法如下：(1)选择合适的极槽配合；(2)减小槽口宽度；(3)采用斜槽和斜极；(4)选择合理的极弧系数；(5)齿上加辅助槽等方法。

但上述方法均是建立在传统的电机定子和转子设计理念基础之上采用的辅助措施，难以从根源上解决齿槽效应。为了更好的解决以上问题，辐射各向异性磁环和多磁极各向异性磁环成为目前国内外研究的热点，广泛应用于电机，如永磁同步电机等。其优点在于应用于交流的伺服电机和无刷电机，无论电机旋转主轴处于何种角度，都能够提供稳定的力矩输出，同时具有尽可能小的齿槽效应来减少电机运行过程中产生的震动和噪音。采用辐射各向异性磁环和多磁极各向异性磁环应用于电机，具备无齿槽效应的原理在于作为定子和转子的永磁体能够在不损耗能量的前提下，围绕旋转主轴的一侧提供周期分布的表面磁场，其磁通的分布形态呈近似正弦波态。

在上述两种磁环实际应用于电机的对比中，多磁极各向异性磁环与辐射各向异性磁环相比较，其性能更加优越。原因在于：(1)前者产生的表面磁通密度为近似正弦波态，而后者为方波态。(2)前者的表面磁通密度为后者的1.5倍左右，产生的能量比后者高的多。

日本专利JP2000-269062A介绍了一种制备多磁极各向异性烧结钕铁硼磁环的磨具，如图1所示。其结构为磨具外套采用圆柱形的非磁性的钢模，中心型腔圆柱材料与外磨具套组成环形的压铸空间。钢模上有4n(其中n为正整数)个凹槽用来产生4n个取向磁极，凹槽之中填充线圈以产生磁场。在凹槽与凹槽之间采用高磁能积的永磁材料填充。这个取向磁场模压装置在压制过程之中磁场的形成来源于高磁能积的永磁材料形成N极或S极，在磁环的表面相邻的N极和S极之间组成磁路，这样的取向磁场不能有效的在多磁极各向异性磁环的表面产生一个近似于正弦波的表面磁通密度。

为了解决上述问题，使多磁极各向异性磁环表面磁通密度与正弦波匹配概率达到90％以上，同时保证表面磁通密度满足使用要求，磁粉在压制过程之中必须采用取向压制。然而在JP2000-269062A中并没有论述磁粉应该采用何种取向才能尽量最大化表面磁通密度与正弦波形匹配概率。基于以上的原因，另外加上烧结变形等因素的影响，本发明专利所述工艺取向磁场是采用脉冲或直流电流通过多匝漆包线或铜棒产生。成型磨具中漆包线或铜棒中的电流方向与环形磨具的轴向方向平行，通过调节多匝漆包线或铜棒分布于磁环磨具的弧度所对应中心角α大小与取向磁场的大小，从而使永磁磁环产生以旋转主轴为对称中心，其磁通与表面磁场呈周期性的近似正弦波态分布，以达到使多磁极各向异性磁环的表面磁通密度与正弦波形匹配概率在85％～95％之间。

发明内容

为了产生表面磁通密度与正弦波匹配概率较高的多磁极各向异性磁环，在磁粉的取向压制过程之中需优化磁粉的取向。在JP2000-269062A之中，设计有线圈和高磁能积的永磁材料来优化磁粉的取向，但以这种方式产生的取向磁场并不能尽量最大化表面磁通密度与正弦波形匹配概率。目前，有限元分析方法被广泛引入到电磁领域进行磁路分析。如图2所示，在磁极所在的位置1a，1b处，以及磁极与磁极之间的连接处所在的位置2，磁粉的取向并不明确。因此在多磁极各向异性磁环之中，从S极至N极或从N极至S极的磁场取向分布并不明确。